مطالبی راجع به آنالیز 3 بعدی سازه‌ها

فرستادن به ایمیل چاپ

تمامي سازه هاي حقيقي هنگامي كه تحت تأثير نيرويي قرار مي گيرند رفتار ديناميكي از خود نشان مي دهند اگر بارهاي وارد بر يك سازه به صورت آرام به يك سازه وارد شوند نيروي اينرسي در يك سازه قابل صرفنظر كردن است و سازه از حالت ديناميكي به استاتيكي نزديكتر مي شود.

علاوه بر آن تمامي سازه ها ي حقيقي تغيير مكانهاي غيرمحدودي دارند، بنابراين بحراني ترين حالت يك سازه براي مدل كردن در كامپيوتر و آناليز آن اين است كه مدلي بسازيم كه از يك سري اعضاي بدون جرم و با تغيير مكان محدود به همراه يك سري گره هايي با جابجايي تشكيل شوند ، که جرم آن مي تواند در گره ها اعمال شود.

به هر حال به دست آوردن بارهاي ديناميكي يك سازه ، ميزان ميرايي انرژي وارد بر آن و شرايط مرزي مانند فونداسيون براي سازه ها بسيار سخت است.

براي كاهش خطاهاي مدل كه حاصل از تقريب زدن در 3 عامل ذكر شده اند لازم است كه آناليز ديناميكي روي مدلهاي مختلف يك سازه انجام بگيرد كه در هر كدام هر يك از شرايط عوض شده اند. روشهاي مختلفي براي آناليز ديناميكي يك سازه وجود دارند كه هر كدام از آنها محاسن و معايب خود را دارند در اينجا به توضيح چند روش مي پردازيم.

 

معادلات دینامیکی سازه :

 

رابطة ‌نيروهاي وارده بر يك سازه با چند درجة آزادي جرم ، مي تواند به صورت يك تابعي از زمان به صورت زير تعريف شود :

F (t)I + F (t) D + F (t) S = F(t)

كه هر كدام از جمله ها در زمان t برابرند با :

بردار نيروي اينرسي كه به جرمهايي كه درهر نقطه هستند وارد مي شود F(t)I =

بردار نيروي مستهلك كننده انرژي در سازه F(t)D =

بردار نيروهاي دروني سازه F(t)8 =

برآيند نيروهاي وارد بر يك سازه F(t) =

اين تساوي هم براي سيستم هاي خطي و هم براي سيستم هاي غيرخطي صادق است (در صورتي كه تساوي به صورتي نوشته شود كه تغيير هندسة‌ سيستم را نير در نظر بگيرد) . براي بيشتر سازه ها تساوي بالا در حالت خطي تبديل به معادلة‌ ديفرانسيل درجة دو زير مي شود:

Mü(t) a + Ců(t) a + ku(t) a = F (t)

كه M ماتريس جرم ، C ماتريس مستهلك كننده يا ويسكوزيته (كه براي تقريب ميزان استهلاك انرژي در سازه به كار مي رود) و K ماتريس سختي سازه است كه بستگي به سختي اعضاء ياسختی هندسی دارد . و همچنين ü(t) و ů(t) و u(t) به ترتيب شتاب و سرعت و جابجايي مطلق يك گره از سازه هستند.

براي بارگذاري زلزله F(t) برابر صفر است وبارهاي زلزله با 3 حركت زمين در 3 جهت همراه با شتاب و سرعت كه توسط فنداسيون به سازه وارد مي شوند مدل مي شود .

بنابراين مقدار جابجايي ها وسرعت ها و شتابها براي هر نقطه يا گره توسط 3 رابطه زير تعريف مي شوند :

U(t)a = u(t) + Ix u (t) xg + Iy u(t)yg + u(t) zg IZ

ů(t)a = ů(t) + Ix ů(t)xg + Iy ů(t)yg + ů(t)zg IZ

ü(t)a = ü(t) + Ix ü(t)xg + Iy ü(t)yg + IZ ü(t)zg

در معادلات بالا Ii براداري است با اندازه ‌واحد (كه i يكي از درجات آزادي سازه است) و صفر در جهات ديگر.

اگر 3 معادلة بالا را در معادله اصلي حركت ديناميكي سازه جايگزين كنيم رابطة زير بدست مي آيد :

 

F(t) M ü(t) +Ců(t) + ku (t) = - Mx ü(t) xg + ( -My) ü(t)gy - MZ ü(t)zg

كه Mi برابر MIi است.

اين نكته مهم است كه يك طراح بداند جابجايي هاي بدست آمده از يك آناليز كامپيوتري جابجايي هاي نسبي هستند كه نسبت به فنداسيون سازه اندازه گيري شده اند. برای حل معادلات بالا شیوه های گوناگونی وجود دارد که در اینجا به اختصار زمینه بعضی از این روشها را توضیح می دهیم .

روش طراحي قدم به قدم :

يكي از روشهاي حل معادلة بالا اين است كه معادله را در زمانهاي 0 , Δt , 9Δt , ... حل كنيم . با در نظرگرفتن اينكه اگر آناليز ما آناليز غيرخطي باشد بايد ماتريس سختي را در پایان هر یک از بازه های زمانی اصلاح كنيم . حل كردن يك سازه با اين روش به دليل حجم عمليات بالا وقت بسياري خواهد گرفت .

همچنين در اين روش بايد ميرايي انرژي را نيز به طور مناسب تعريف كرد (ماتريس C) زيرا اگر اينگونه نباشد سازه به حالت پايدار نمي رسد .

روش جمع اثر مدها :

يكي از بهترين روشهاي آناليز سازه هاي خطي تحت بارهاي زلزله اين روش است . بكارگیري روش حل عددي در اين روش مي تواند حجم محاسبات را بسيار كاهش دهد . در اين روش فقط فركانس هاي ابتدايي سازه يا فركانس هاي كمتر در نظر گرفته مي شوند و زلزله به صورت يك لرزش ميرا با فركانس هاي مختلف به سازه اعمال مي شود . براي به دست آوردن اين فركانس ها از يك زلزله كه در آن منطقه رخ داده است بايد فركانس زمين را 200 بار در هر ثانيه ضبط كرد و از آن استفاده كرد .برای حل به این روش چند گزینه وجود دارد یکی از این گزینه ها طیف پاسخ سیستم است .

 

RESPONSE SPECTRA ANALYSIS (طيف پاسخ خطي) :

اين روش يكي از كاملترين و اصلي ترين روشهاي جمع اثر مدها( Mode superposition ) است كه مي توان بوسیله آن پاسخ هرنقطه يا جابجايي هر نقطه از سازه را در برابر زلزلة اعمال شده بدست آورد .

اين روش آناليز 2 اشكال دارد يكي اينكه حجم زيادي از اطلاعات بدست مي آيد كه بايد آنها را تركيب كرد و ديگري اينكه بايد تعداد زلزله هاي زيادي را روي سازه اعمال كرد تا بدترين حالت بدست آيد .

همچنين نقطه قوت اين روش اين است كه به راحتي مي توان با يكي از روش هاي آماري مثل CQC ، اثر مدها را با یکدیگر ترکیب کرد و با روش SRSS بيشترين نيروي هر عضو را حساب كرد . لازم به ذکر است که بیشتر آیین نامه ها از این روش استفاده می کنند .

روش حل در دامنة فركانس : (Solution in the Frequency Domain)

روش اصلي حل معادله ديناميكي يك سازه اين است كه اين معادله را به وسيلة‌يك سري فوريه يا انتگرال فورير حل كنيم. دامنة حل اين معادله اين روش مي تواند از ∞ تا ∞ - باشد كه به اين ترتيب مي توان هر فركانسي را براي يك سازه بدست آورد .

در هر صورت حل اين معادله به اين روش معايب زير را داراست :

1 – رياضيات اين روش براي مهندسان بسيار سخت است .

2 – بارهاي زلزله دوره اي (Periodic) نيستند بنابراين لازم است كه يك پريود طولاني براي آناليز استفاده كرد تا به پريود اصلي برسيم .

3 – روش هاي عددي براي حل اين معادله به اين روش مناسب نيستند و حالتهاي مختلفي بوجود مي آيد .

4 – اين روش فقط براي حل سازه هاي خطي مي تواند استفاده شود .

5 – براي حل اين معادله سعي و خطا لازم است تا به طور مثال تبادل نيرو بين خاك وسازه به طور صحيح بدست آيد. ولي در هر بار سعي و خطا ميرايي (damping) براي سازه تغيير مي كند كه اين اثرات در نظر گرفته نمي شوند .

جواب غيرميراي هارمونيكي : (Undmped Hermonic Response)

ماتریس بارهای یک سازه در حالت دینامیکی به چند شیوه می تواند معرفی شود که يكي از ساده ترين توابع براي بارهاي ديناميكي تابع هارمونيكي است به صورت زير :

F(t) = f Sin (W-t)

F توزين نيروي وارد برهر گره است و W- فركانس تعريف شده توسط كاربراست كه توسط تعريف اين دو پارامتر مي توان نيرو را در طول زمان به صورت يك تابع سينوسي به سازه واردكرد .

پس اگر ميرايي صفر باشد داريم :

M ü(t) + Ku (t) = f Sin (w-t)

U (t) = v Sin (w-t) , ü(t) = - VW-2 Sin (W-t)

كه جواب معادلة بالا براي هر گره از حل معادلة ساده شده زير بدست مي آيد :

(K - w-2 M) v = f or K- v = f

 

لازم به ذكر است كه اگر در اين معادله w را برابر صفر قرار دهيم مي توانيم به حل استاتيكي معادله دست پيدا كنيم . همچنين با حل معادله با اين بارگذاري نمي توان شكل مدهاي ارتعاشي را بدست آورد .

 

حل معادلات خطي : (Solution of linear Equation)

براي حل معادله تعادل به تمامي روشهاي بالا لازم است تا معادله اي به صورت زير حل شود :

AX = B

كه A ماتريس مربعي است كه N × N است و X ماتريس جابجايي هاست كه M ×N است و B ماتريس بارهاست .

آناليز استاتيكي غيرخطي :

اين نوع آناليز براي مقاصد مختلفي مي تواند استفاده شود از جمله آناليز يك سازه با هندسة غيرخطي و يا مواد غيرخطي ، براي در نظرگرفتن اثر P - ∆ به جاي آناليز خطي ، براي آناليز كابل ها ، در آناليز پوش آور (Pushover .

اگر چه اين نوع آناليز از مباحث پيشرفته است ولي داشتن اطلاعات كلي راجع به آن كمك زيادي در تحليل كابلها و سيستم هاي مهاربندي مترة جانبي مي كند.

آنالیز غیر خطی و خاصيت غيرخطي بودن :

در نرم افزار 2000 Sap مي توان غيرخطي بودن را در اين موارد تعریف کرد :

1 – مواد غيرخطي كه شامل خواص غيرخطي در لينكها ، حد بالايي فشار و كشش در اعضاي يك قاب و یا يك مفصل پلاستيك مي شوند .

2 – غیر خطی بودن هندسی : كه شامل اثرات P - ∆ و جابجايي هاي بزرگ مي شود . یعنی اینکه در اثر P - ∆ سازه به حالت غیر خطی برسد .

بايد ابتدا سازه را تحت بارهاي استاتيكي و مودال آناليز كرد و پس از اينكه مطمئن شديم جواب مي دهد شروع به آناليز غيرخطي كنيم .

اگر از مفاصل غيرخطي مي خواهيد استفاده كنيد بايد ابتدا با يك مدلي شروع كنيد كه مقاومت اعضاء اصلي آن كم نشود براي اين كار بايد كه اعضاء اصلي را دوباره طراحي كنيد و قويتر در نظر بگيريد .

شما مي توانيد در اين آناليز از بارهاي شتابدار ، مودال و انواع ديگري از تركيبات بارها استفاده كنيد .( يك بار مودال باري است مخصوص آناليز پوش آور . اين نوع بارگذاري يك تابع (Pattern) از نيروها است که در هر يك از مدها بر سازه وارد مي شوند) . همچنين مي توان بار را از صفر تا مقدار موردنظر به سازه به صورت مرحله اي به سازه وارد كرد كه اين بار مي تواند جابجايي به يك نقطه و يا نيرو باشد . هنگامي از این روش استفاده مي كنيم كه بدانيم بار نهايي چه مقدار است و سازه زير آن بار پايدار باشد و هنگامي از بار به صورت جابجايي استفاده مي كنيم كه بدانيم سازه چه مقدار جابجا مي شود ولي ندانيم كه چه مقدار بار اين جابجايي را ايجاد مي كند و آيا اين كه اين جابجايي در حالت خطي سازه يا در حالت غيرخطي است . واردكردن بار به صورت جابجايي بسيار مفيدتر و بهتر است از خود باراست .

نرم افزارهاي 2000 Sap و يا ETABS مقدار جابجايي را براي يك نقطه گرفته و بار را تا رسيدن به آن جابجايي براي آن نقطه روي آن قرار مي دهد . مقدار بار اعمال شده در حين رسيدن به آن جابجايي مي تواند كاهش و يا افزايش يابد . (لازم به ذكر است كه جابجايي براي هر نقطه فقط براي يكي از درجات آزادي مي تواند تعريف شود) . مطمئن شويد كه مقدار جابجايي اعمال شده حين آناليز افزايش مي يابد در غير اين صورت آناليز را دو قسمت كنيد يعني در 2 جابجايي يا چند جابجايي به هدف خود برسيد .

تعريف : به خواص سازه اعم از جابجايي ها و سرعتها ، نيروها و كشش هاي دروني ، متغيرهاي غيرخطي در عضوها ، نيروهاي بيروني و ... حالت هاي اولية‌ سازه قبل از آناليز گويند. (Initial Conditions)

براي مثال در آناليز استاتيكي سرعتها صفر هستند یعنی در حالت اولیه سرعتهای گره ها همگی صفر هستند و آنالیز از این مرحله شروع می شود .

براي آناليز غيرخطي بايد شرايط اوليه اي براي سازه قبل از آناليز تعريف كنيم . كه دو حالت براي انتخاب داريم :

1 – حالت اولية صفر (Zero Intial conditions) : هيچگونه فعاليت خطي و غيرخطي در اين حالت نداريم .

2 – ادامة آناليز غيرخطي یا خطی كه قبلاً انجام شده است . در اين حالت تمام خواص سازه از آناليز قبلي گرفته مي شود و نيروها با نيروهاي قبلي جمع مي شوند . مثلاُ ممكن است جايي از سازه مفصل شده باشد و يا ...(در اين حالت از آناليز تمامي خواص آناليز جديد بايد مانند آناليز قبلي باشند مخصوصاً خواص غيرخطي) .

در حالت عادي نرم افزار فقط آخرين حالت يك آناليز غيرخطي را مي دهد (output steps) يعني در حالتي كه بار كاملاً اعمال شده است و لی مي توان مرحله به مرحله حالت سازه را تحت بار ديد .

آناليز استاتيكي پوشل آور (Push over) :

اين نوع آناليز يك روش مخصوص براي طراحي در مقابل زلزله است كه در نرم افزار SAP 2000 درنظرگرفته شده است . اساس آنالیز به این روش این است که باری به صورت جابجایی یا نیرو به یک گره تا جایی که این با به حد نهایی برسد وارد می شود . در طی بار گذاری ممکن است که نقاطی از سازه به حالت پلاستیک برسند که این نقاط باید از قبل توسط طراح حدس زده شده و به سازه اعمال شوند .

نرم افزار Sap 2000 ابزارهاي زير را براي اين آناليز دارد :

1 – مواد غيرخطي كه مي توان به وسيله اين مواد يك مفصل پلاستيك با خاصيت غيرخطي اين ماده تعريف كرد و به يك عضو اين مفصل را اعمال كرد .

2 – قابليت كنترل جابجايي سازه تحت بارهاي زلزله .

3 – بدست آوردن منحني پوش آور براي يك سازه .

4 – چاپ منحني هاي هر مفصل پلاستيك .

مراحل انجام يك آناليز پوش آور در Sap 2000 به شرح زير است :

1 – ساختن يك مدل براي آناليزهاي ديگر شامل آنالیز استاتیکی ویا دینامیکی در حالت اولیه سازه .

2 – تعريف مفاصل براي اعضا و اعمال كردن آنها به هر مقطعي از عضوها .

3 – تعريف كردن بارها براي هر نوع طراحي فولادي و يا بتني .

4 – آناليز ساز تحت بارهای تعريف شده .

5 – اگر مفاصل پلاستيك به اعضاي بتني اعمال شده اند بايد طراحي انجام گيرد تا ميلگردها معلوم شوند .

6 – اگر از خاصيت Auto select براي طراحي اعضاء فولادي استفاده شده است بايد طراحي صورت گيرد تا هر كدام از اعضاء معلوم شوند .

7- تعريف بارهایی كه در آناليز Pushover استفاده مي شود به عنوان حالت اولیه ، اعم از بارهاي ثقلي بدون زلزله .

8 – تعريف حالت های آنالیز غيرخطي براي استفاده در Pushover به عنوان حالت اولیه آنالیز پوش آور . شامل تركيبي از 1 يا چند حالت بارگذاری كه از حالت صفر شروع مي شوند يعني حالت اولية سازه براي آنها صفر است و فقط بارهاي ثقلي را دارند و همچنين حالت آنالیز پوش آوری که از بارگذاري های قبلي ثقلی شروع شده و با كنترل جابجايي سازه بارهای زلزله را وارد مي كند .

9 – آناليز سازه .

10 – چك كردن و ديدن نتايج پوش آور براي سازه و دياگرامهاي نيروها و موقعيت مفاصل و ... .

11 – تغيير مدل اگر لازم بود و تكرار آناليز آن برای رسیدن به یک حالت بهینه .

لازم به ذكر است كه سازه در جهت x , y و در هر دو جهت منفي و مثبت بايد آناليز شود همچنين گاهي لازم است در زاويه اي بين محورهاي x , y اين آناليز انجام شود براي اين كارحالت هاي بارگذاری مختلفي براي هر جهت تعريف مي كنيم .

 

 

آناليز ديناميكي توسط طيف پاسخ :

بهترين و اصلي ترين روش جمع آثار مدها كه در حالت الاستيك سازه را تحليل مي كند و يك تاريخچه كامل از عكس العمل نقطه هاي سازه و اعضاء آن مي دهد اين روش است .

تنها اشكال اين روش در اين است كه حجم زيادي از داده ها را توليد مي كند و يكي اينكه بايد زلزله هاي زيادي را روي سازه اعمال كرد تا بهترين نتيجه بدست آيد كه مشكل روحي توسط آئين نامه ها حل شده است .

تعريف طيف پاسخ ‌:

براي حركت يك ساز ة ‌3 بعدي تحت اثر زلزله معادلة زير را مي توان نوشت :

Ϋ(t)n + 2ƒn Wn y(t)n +w2 n y(t) n =Pnx ü(t) gx + Pny ü(t) gy + Pnz ü(t) gy

اگر معادلة بالا را در 3 جهت جدا كنيم و براي هر يك از جهات x, y , z جداگانه بنويسيم به معادلة زير مي رسيم :

Ϋ(t)n + 2 ƒn Wn y(t)n + w2 n y(t) n = Pni ü(t) g

در معادلة بالا y(t) معادلة حركت يك گره ، n شمارة‌ مد n ام ، Pni = -1.0 و Wn فركانس مد n ام و ƒn ميرايي مد انم است. همچنين ü(t)y شتاب زمین در جهت موردنظر است .

مـــي توان معــــادلة بــالا را با دادن مقدار به w حـــــل كرد و يك منحني پاسخ سازه با يك ماكزيمم بدست آورد . براي يك شتاب مشخص زمين منحني بدست آمده ، منحني جابجايي پاسخ سازه نام دارد .

همچنين اگر ميرايي را تغيير دهيم منحني هاي ديگري بدست خواهند آمد .

اگر منحني WY(w) max را نيز رسم كنيم منحني بدست آمده براي مقادير مختلف w ، منحني پاسخ غيرواقعي سرعت نام دارد . براي شتاب نيز يك منحني مي توان به همين صورت رسم كرد .

اما مقادير بدست آمده در اثر مقدار دادن به معادلة‌ بالا بدست آمده اند و جوابهاي حقيقي را بايد با حل كردن معادله بدست آورد .

شتاب هر گره از سازه با يك درجة آزادي از معادلة زير بدست مي آيد :

ü(t)T = Ϋ(t) + ü (t)g

اگر معادلة قبلي را براي Ϋ(t)حل كنيم و مقدار Ϋ(t) را در معادلة بالا قراردهيم به معادلة‌زير مي رسيم :

ü(t) T = - w2 y (t) - 2ƒ w Ϋ (t)

بنابراين اگر ميزان صفر باشد شتاب نهايي سازه برابر w2 y(t) است .

با توجه به مطالب بالا بهتر است كه منحني پاسخ جابجايي را براساس w , y (w) max رسم نكنيم و به اين صورت عمل می كنيم كه يك تابع S(w) تعريف کرده كه وابسته به T يا پريود باشد .

S(w) a = w2 y (w) max & T = 2π/w

تابع S(w)a واحد شتاب را دارد و در حالتي كه ميرايي صفر باشد وابسته به پريود سازه است .

تابع S(w)a با ميرايي صفر براي هر منطقة زلزله خيز يك تابع خاص است و بستگي به خواص سازه ندارد و با اثر دادن ميرايي يك سازه به صورت يك تابع خاص درمي آيد . لازم به ذكر است كه اين تابع بيانگر شتاب وارد بر سازه در حالتي است كه زمين صلب در نظر گرفته شده است يعني اين شتاب يك شتاب مطلق است .

با داشتن اطلاعات بالا مثل S(w) و T براي يك مد از سازه میتوان ميزان ماكزيمم جابجايي را بدست آورد ( مد برای یک سازه عبارت است از شکل تغییر یافته آن سازه که در طول ارتعاش سازه تغییر می کند وبه دلیل میرا بودن ارتعاش وتوزیع جرم هر مد شکل خاص و فرکانس خاصی دارد ) :

Y (Tn) max = S (wn)/w2

همچنين با داشتن جابجايي ها و ماتريس سختي مي توان نيروهاي دروني را محاسبه كرد و سپس با داشتن نيروها و عكس العمل سازه در هر مد ، اثرات مدها را به وسيلة يكي از روشهاي آماري با هم جمع كرد بهترين روش آماري براي اين كار روش (Complete Quadratic )CQC است .

اين روش مي تواند براي هر گره از سازه و تمامي خصوصيات ديناميكي هر گره به كار گرفته شود از جمله شتابها جابجايي ها و يا برش پايه .

آئين نامه ها با ميانگين گرفتن بين چندين زلزله وقوع يافته يك منحني طيف پاسخ بدست مي آورند و از آن براي طراحي سازه ها استفاده مي كنند . اين منحني ها براساس خاك ناحيه و فاصلة‌ناحية‌موردنظر تا مركز نزديكترين زلزله بدست مي آيند.

مدل سازي بارهاي زلزله مطابق آئين نامه ها :

اصلي ترين تفاوت و مزيت آناليز ديناميكي نسبت به آناليز استاتيكي اين است كه توزيع بارهاي بدست آمده از آناليز ديناميكي با توزيع بارهاي استاتيكي آيين نامه اي تفاوت دارد .

روش قديمي و مرسوم براي طراحي در مقابل بارهاي زلزله اين بوده است كه بارهاي زلزله را به صورت استاتيكي روي يك مدل دو بعدي قرار مي دادند و مدل را آناليز و طراحي مي كرده اند ولي در حال حاضر به دليل وجود كامپيوترهاي جديد و نرم افزارهاي تحليل سازه ها ، مدل 3 بعدي سازه ها بايد ساخته شود و تحت بارهاي وارده تحليل شود كه بيشتر مهندسان آشنايي با اين نرم افزار ها ندارند .

آئين نامه هايي كه در حال حاضر وجود دارند مي گويند كه برش پايه مدل ديناميكي بايد ، با برش پايه استاتيكي دو بعدي برابر باشد . اكثر طراحان بر اين باور هستند كه اين روش روش درستي نيست و مبناي تئوري درستي ندارد ولی تا موقعي كه روش ديگري ابداع شود بايد از آيين نامه ها استفاده كرد .

حساب كردن برش پايه از روش آيين نامه ها بسيار ساده و راحت است و تقريباً در حدود %35 وزن ساختمان بدست مي آيد. تعريف ساختمانهاي نامنظم ، به مقياس كردن برش پاية ديناميكي مطابق با استاتيكي ، پيچش تصادفي بوجود آمده و بارهاي زلزله عمود بر هم بر روي محورهاي اصلي ساختمان نكاتي هستند كه در آيين نامه ها روشن نشده اند .

 

مدل 3 بعدي سازه :

پيچش تصادفي و حقيقي بايد براي همة سازه ها در نظر گرفته شود پس همة سازه ها بايد به صورت 3 بعدي آناليز شوند. همچنين به خاطر نامنظم بودن ساختمانها و يا توزيع جرم متفاوت در طبقات تحليل كردن يك سازه به صورت 3 بعدي لازم به نظر مي رسد .

در اين مدل 3 بعدي فقط عضوهايي از سازه كه در مقابل بارها مقاومت مي كنند و به عبارتي سختي و قابليت شكل پذيري دارند بايد مدل شوند . سقفها در بيشتر ساختمانها مي توانند به صورت يك عضوهايي كه صلبيت محوري دارند مدل شوند . اگر عضوهاي اصلي بتني باشند نيز حتماً لازم است تا براي طراحي ضرائب ترك خوردگي به مقاطع داده شوند .

همچنين اثر Δ -P براي تمامي مدلها بايد در نظرگرفته شود اين اثر براي هر دو تحليل استاتيكي و ديناميكي بدون سعي و خطا مي تواند در نظر گرفته شود . اگر در حالت ديناميكي اثر Δ –P در نظر گرفته شود مقداري افزايش در زمان تناوب همة مدها ديده مي شود .

براي درنظرگرفتن فونداسيون نيز مي توان از اعضاي بدون جرم در پاي سازه استفاده كرد كه سختي موردنظر را در پاي سازه ايجاد كنند (اگر اين اعضاء جرم داشته باشند در آناليز ديناميكي به آنها بار وارد مي شود) .

نخستين قدم براي محاسبة ديناميكي يك سازه حساب كردن شكل 3 بعدي مدها و فركانسهاي لرزش است .

(لازم به ذكر است كه در بدست آوردن نيروهاي هر مد بايد 90% از جرم سازه در جهت موردنظر دخالت داشته باشند يعني اينكه جمع نيروها ي حاصله از آناليز ديناميكي بايد در اثر وارد شدن شتاب زلزله به 90% از جرم سازه باشند)

مطابق با آئين نامه ها ، بايد فقط مدهايي از سازه در نظرگرفته شوند كه 90% از جرم سازه در آنها شركت دارند .

 

 

آناليز 3 بعدي ديناميكي :

مي توان در صورت داشتن حركت زمين در يك منطقه يك آناليز ديناميكي با تاريخچه زماني و يا گام به گام كرد ولي اين امكان براي همه جا وجود ندارد و حركت زمين براي همة مناطق در دست نيست به همين دليل اكثر طراحان سازه رو به روش طيف پاسخ (response spectra analysis) آورده اند .

براي محاسبة‌سازه به اين روش اولين قدم محاسبة‌ برش پايه است به روش زير :

V = [ ZIC / Rw] w

كه w ، وزن سازه است ، I ضريب اهميت ساختمان ، Z ضريب منطقه و Rw ضريب شكل پذيري ساختمان است . طريقة‌بدست آوردن C نير در حد آئين نامه ذكر شده است و براساس پريود و خاك منطقه است .

براي بدست آوردن پريود يك ساختمان مي توان از فرمولهاي تجربي استفاده كرد و يا پريود طبيعي سازه را استفاده كرد و لی در هر صورت پريود طبيعي نبايد بيشتر از 1.25 برابر پريود تجربي باشد .

تعريف جهات اصلي سازه :

يكي از ضعفهاي آئين نامه ها همين نكته است . نيروهاي طراحي افقي مي توانند جهتشان هر جهتي باشد ولي اكثراً در دو جهت عمود بر هم انتخاب شده وسپس اثرات آنها به روش SRSS با يكديگر جمع مي شوند .

پس براي يك آناليز ديناميكي به روش طيف پاسخ بايد تابع طيف پاسخ را از آئين نامه بدست آورد كه در آئين نامه 2800 همان تابع B است (اين تابع نرمال شده است) . سپس در دو جهت اصلي سازه كه اكثراً عمود بر هم هستند دوبار ديناميكي تعريف كرد و اثرات مدهاي بوجود آمده از اين بارها را به روش CQC با يكديگر جمع كرد .

پس از آناليز كردن براي هر جهت از جهات اصلي سازه يك برش پايه بدست مي آيد . كه بايد اين برش پايه به مقياس درآورده شود (به مقياس كردن اين برش مطابق آئين نامه 2800 صورت مي گيرد) .

 

آنالیز ساختمان های در دست احداث توسط شرکت IBH Co :

در اين دوره ابتدا از ما خواسته شده 2 ساختمان تيپ 17 طبقه اي را كه فعلاً در دست مطالعه و طراحي است وهمچنین 3 بلوک دیگر که در حال اجرای اسکلت است را ا آناليزکنیم . آناليز اين ساختمانها به وسيله نرم افزار ETABS صورت گرفت و براي بارگذاري از آئين نامه هاي متداول ايران يعني آئين نامة‌ 519 , 2800 استفاده شده براي طراحي نيز نرم افزار آئين نامه 2002 -ACI 318 را مورداستفاده قرار مي دهد كه در ايران نيز اين آئين نامه كاربرد دارد .

خلاصه آنالیز بلوکهای 17 طبقه :

براي ساختن مدل از نقشه هاي معماري موجود استفاده شده و تمامي جزئيات اعضاء اصلي سازه سعي شده است كه در نظر گرفته شوند (اعضاي اصلي سازه اعضايي هستند كه در مقابل نيروها سختي دارند) تنها اعضاء در نظر گرفته نشده تيرهاي اطراف پله يا تيرهاي ميان طبقه هستند كه بار وارده از طرف آنها در تكيه گاه آنها قرار داده شده است . همچنين خرپشته نيز در مدل رياضي در نظر گرفته شده ديوارهاي برشي نيز در محلهاي مربوطه قرار داده شده اند كه اين ديوارها توسط پوسته مدل شده اند .

پس از ساختن هندسة مدل نوبت به بارگذاري ثقلي سازه مي رسد بار مردة سقفهاي استفاده شده در اينجا 516 كيلوگرم در مترمربع و بازرنده براي طبقات 200 و براي سقفهايي كه كاربري پاركينگ دارند 500 kg / m2 است همچنين بار زنده بام 150 كيلوگرم بر مترمربع در نظر گرفته شده است كه با احتساب اين بار زنده بار برف در نظر گرفته نشده است .

براي بدست آوردن بار مرده از آئين نامة‌ 519 استفاده شده است به اين صورت كه 5 سانتي متر بتن در روي سقف و 4 سانتي متر بتن در زير آن و يك تبرچه با ارتفاع 25 سانتي متر در هر 60 سانتي متر محاسبه شده همچنين وزن تيغه بندي 100 kg /m2 و كف سازي حدود 100 kg / m2 فرض شده است . مي توان سقف را هم در مدل ساخته شده قرار داد و بارهاي ثقلي را به صورت گسترده به آنها اعمال كرد و لی ما دراينجا اين كاررا انجام نداده و بار وارده به هر تير را به صورت گستردة‌خطي به تير وارد كرده ايم .

همچنين بار ديوارهاي پيراموني را نيز 300 kg / m2 درنظرگرفتيم كه حدود 35% از اين عدد به خاطر بازشوها و پنجره ها كم مي شود.

بارگذاري جانبي :

بــــــرش پاية باد و برش پاية بارهاي زلزله هر دو محاسبه شدند و با توجه به اينكه برش پايه باد حدود 400 tn و برش پاية‌ زلزله در محاسبات اوليه 640 tn بدست آمده است ، نيروي زلزله به عنوان نيروي بحراني تر در نظر گرفته مي شود. همانطور كه ذكر شد برای بارگذاري زلزله از آئين نامه 2800 استفاده شده است به طريق زير :

A = 0.25 , I = 1.0 , R = 9

B = 2.5 (T0/T)2/3

T = 0.05 × (H) 3/4 =0.05× (57.78) 3/4 =1.0475

در محاسبة‌ T چون وزن خرپشته كمتر از 25% وزن بام است ، در ارتفاع H ارتفاع خرپشته محسوب نمي شود . نكتة‌ ديگر اين كه پريود تجربي كمتر از پريود تحليلي است كه از نرم افزار بدست آمده است پريود تجربي را در 25/1 ضرب مي كنيم :

 T = 1.0478 × 1.25 = 1.30975

 C = ABI /R= 0.0362

V= CW = 0.0365 × 15149 = 553.616tn

Ft = 0.07 × T × V = 50.727 tn

 

V - Ft = 502.88 tn , Fi = ( V - Ft ) Wi Hi / WiHi

جدول محاسبة نيروهاي زلزله در طبقات در ادامه آمده است .

بار گذاري ديناميكي :

براي بارگذاري ديناميكي به روش طيف پاسخ با مقدار دادن به T در تابع B مقدار شتاب را بدست مي آوريم و اعداد B , T را به صورت يك زوج مرتب به نرم افزار معرفي مي كنيم .

B = 2.5 (T0/T)2/3  B = 2.5 (0.5/T)2/3  2.5

سپس با معرفي دو بار كه ازتابع بالا براي شتاب زلزله در هر جهت اصلي سازه استفاده مي كند بار زلزله را به سازه وارد مي كنيم . در پنجره مربوط به وارد كردن اين بارها بايد روش تركيب مدها را روش CQC و روش تركيب نيروها را SRSS معرفي كنيم همچنين ميران ميرايي (Damping) را طبق آئين نامه برای همه مدها برابر 0.05 در نظر مي گيريم .

در مرحلة بعدي جهت وارد شدن بار را به سازه معرفي كرده و مقياس را براي آن بدست مي آوريم اين مقياس از حاصل ضرب زير بدست مي آيد .

Scale = AI/R × g = 0.2725

با يك بار آناليز كردن و بدست آوردن برش پايه در هر جهت y , x بايد اين ضريب مقياس زلزله را اصلاح كرد . اين عمل مطابق آئين نامه 2800 صورت مي گيرد. در اينجا اين ضريب مقياس به صورت زير تصحيح شده است :

 

AI × g × برش پايه استاتيكي

R برش پايه ديناميكي حاصل از آناليز

 

اگر ضريب بالا يعني نسبت برش پايه استاتيكي به برش پايه ديناميكي محاسبه شود تقريباُ برابر 1 خواهد شد كه نشان مي دهد نياز به تغيير در ضريب مقياس نيست.

پــس از آنـــــــاليز كردن و بدست آوردن توزيع نيروي زلزله روي طبقات به صورت ديناميكي متوجه مي شويم كه مقدار برش در پاي ساختمان يا در طبقات پايين تر بيشتر است .

با توجه به اين مطلب احتمالاً نتايج طراحي بوسيلة‌ تحليل ديناميكي كمتر از تحليل استاتيكي خواهد بود به خصوص در ديوارهاي برشي.

 

 

مقاطع اعضاء :

مشخصات مقاطع به صورت زير مي باشد :

تيرها در جهت باربر  50× 34

تيرها در جهت غيرباربر  40× 34

تيرها در خرپشته  30 × 34

ستون هاي طبقة اول  70× 70

ستونهاي 2 طبقه اول آنهايي كه تا طبقه دوم امتداد دارند  40× 40

ستونهاي 5 طبقه بعدي  50× 50

ستونهاي طبقات آخر  40× 40

 

ديوارهاي برشي :

مقطع ديوارهاي برشي در 2 طبقه اول 40 سانتي در 6 طبقه بعدي 35 سانتي و در بقيه طبقات 30 سانتي در نظر گرفته شده است .

هــــمچنــــين مقاومــــت فــــولادهاي برشي 3000 كيلوگرم بر سانتي متر مربع و فولادهاي طولي 4000 kg / cm2 و مقاومت 21 روزة بتن 210 kg / cm2 فرض شده است .

 

ديوارهاي برشي :

همانگونه كه ذكر شد ديوارهاي برشي به وسيله المانهاي shell مدل شده اند كه ضخامت همة‌ آنها 40 سانتي متر در نظر گرفته شده ولي در ارتفاع اين ضخامت كمتر مي شود براي آناليزكردن سازه لازم است كه اين المانها كه در بين هر دو ستون و دو تير قرار دارند را به اجزاء كوچكتري تقسيم كنيم تا عملكرد اين ديوارها در مدل رياضي هماهنگي بيشتري با ستونها و تيرها داشته باشد.

همچنين تيرهاي داخل ديوارهاي برشي با مقطع 1 cm × 1 cm فرض شده اند.

 

طراحي :

براي طراحي مقاطع پارامترهايي در آئين نامه ACI وجود دارندكه شرح اين پارامترها در قسمت مربوطه آمده است و L در كل براي چك كردن مقاطع طبق نتايج نرم افزار سعي شده است كه مقاطع ستونها از 40× 40 كمتر شوند ، آرماتور ستونها كمتر از 1% نشود و بيشتر از 5/3% نشود (اين عمل به خاطر اين است كه اگر آرماتور در ستوني بيشتر از 4% شود در محل وصله به ستون بالايي بيشتر از 8% خواهد شد كه از نظر آئين نامه مورد قبول نيست) .

همچنين براي طراحي ستونهاي اطراف ديوارهاي برشي از نتايج اين مرحله استفاده نبايد كرد زيرا عملكرد اين ستونها در اصل همراه با ديوار برشي است پس هنگام طراحي ديوارهاي برشي اين ستونها به عنوان يك المان مرزي براي ديوار طراحي خواهند شد.

براي طراحي تيرها نيز سعي شده است كه آرماتور تيرها در فاصله كششي از آرماتور مينيمم كمتر نباشد و از 0.5 برابر آرماتور ماكزيمم هم بيتشر نشود. به جزء در تعدادي از تيرها كه در اطراف ديوارهاي برشي قرار دارند و همچنين چند تيري كه در بين ديوارها ي برشي U شكل و I شكل قرار دارند.

آرماتور تعبيه تيرها در محدودة ذكر شده قرار دارد.

Pmin = 14 = 0.0035

Fy

 

 

Pmax = 0.5 Pb = 0.5 * 0.85 * 0.85 * 210 * 610 = 0.011

4000 400 + 610

 

طراحي برشي اجزاء :

نرم افزار ETAB تيرها و ستونها را براي برش نيز طراحي مي كند و AV / S را براي هر عضو مي دهد ولي (AV / S) min و يا ماكزيمم آن را چك نمي كند پس لازم است كه اين مقدار براي اعضاء چك شود همچنين آئين نامه ACI براي طراحي برشي ستونها ضوابط خاصي دارد كه نياز به انجام طراحي برشي براي آنها نيست. ممكن است مقدار آرماتور برشي بدست آمده براي يك تير نتواند در لنگر نهايي تير و يا لنگر پلاستيك دو سر تير كه در اثر زلزله احتمال دارد رخ دهد ، جواب دهد يعني اينكه تير بايد از لحاظ برشي تاب برش بوجود آمده در اثرلنگر پلاستيك مقطع دو سر تير را داشته باشد تا تير قبل از آنكه در خمش دچار شكست شود در برش دچار شكست نشود.اين ضابطه مربوط به فصل 21 از آئين نامه ACI است. در اين فصل دو ضابطه براي طراحي برشي تيرهايي كه در مناطق بار زلزله خيري متوسط و زياد طراحي مي شوند وجود دارد كه يكي از آنها ذكر شد و ديگري به شرح زير است .

براي طراحي برشي تيرها بايد نيروهاي حاصل از زلزله را دو برابر كرد و با آن نيروها تير را طراحي كرد.

هر كدام از دو ضابطة بالا كه بحراني تر شدند به عنوان بار طراحي انتخاب مي شوند.

M left M right or M left M right

M+ right + M- left + 1.4 DL + 1.7 LL = V1

M+ left + M- left + 1.4 DL + 1.7 LL = V2

0.75 (1.4 DL + 1.7 LL ) + 2.78 E = V3

امـــــا بــــراي مناطق با خطر زلزلة كم نيازي به چك كردن ضوابط بالا نبوده و حداقل آرماتور برشي (Av / s)min مي باشد.

 

آخرین بروز رسانی در سه شنبه, 20 اردیبهشت 1390 ساعت 01:43
پایگاه دانش مقالات مطالبی راجع به آنالیز 3 بعدی سازه‌ها